淺談混合動力汽車傳動技術的研究現狀

山西中北大學機械與動力工程學院 吳澈 崔俊杰 趙世峰 吉文博 李沐恒

前言

目前汽車行業所造成的能源消耗和環境污染是當今世界各國必須共同面對的問題。其中新能源汽車是在傳統汽車基礎上的重大變革，是解決問題的主要途徑之一，而混合動力汽車（HEV）因低油耗、低排放、動力接近傳統汽車，且制造成本低于純電動汽車等優點,使得其開發研究越來越受到各大汽車公司和研究機構的重視。本文介紹的車輛混合動力傳動系統是指具有兩個或兩個以上的動力源，它們涉及不同的動力傳動機構，是混合動力汽車開發的基礎，因此有必要了解這些動力機構如何有效的傳遞動力和功率。目前主要有電動、液壓以及高速飛輪傳動系統三種。

1 電動傳動系統的研究現狀

電動傳動系統主要包括發動機、發電機、蓄電池、電動機/發電機、變速器等。根據其驅動系統的配置和組合方式的不同可以分為串聯式、并聯式和混聯式。

圖1 串聯型

串聯式結構如圖1所示。該系統主要特點是驅動輪的能量源只來自電動機。當汽車起動或低速運行時，發動機關閉，由蓄電池持續提供電能給電動機，維持汽車的運行；當車速提高后，由發動機提供動力源給驅動輪，多余的電流用于蓄電池的補充；當汽車加速或爬坡，發動機提供的功率不足時，由蓄電池和發動機同時向電動機提供動力；而且汽車在減速和制動時，可以通過電動機/發動機回收能量，儲存在蓄電池中。這樣就使得發動機始終運行在經濟且排放較低區域，避免了蓄電池過沖或過放的情況，但是能量轉換的次數較多，效率不高[1]。

并聯型結構如圖2所示。該系統主要特點在于發動機和電動機能單獨為驅動輪提供動力。此系統比較適合高速行駛的穩定工況，不適于工況變化較大的路況。汽車起步時，由電動機的低速大轉矩單獨起動，高速行駛時，發動機處于經濟性區域，全部由發動機提供動力，只有在加速或爬坡時，電動機輔助提供動力。由于發動機與驅動輪之間是機械連接，且需要變速裝置和動力合成機構，所以機械效率比較高，燃油經濟性較好，但是它的機構比較復雜，造價成本較高[2]。

圖2 并聯型

混聯式混合動力系統是串聯與并聯的綜合，發動機發出的功率一方面用于機械傳動，另一方面用于發電機發電，發電機主要給蓄電池或電動機/發電機提供電能，電動機產生的轉矩通過轉矩合成器傳遞給驅動輪。在低速時主要以串聯形式運行，在高速穩定運行時，則以并聯工作形式為主。混聯兼有串聯與并聯的特點，能靈活地實現汽車的各項性能需求，但控制系統比較復雜，結構設計要求比較高。

2 液壓傳動系統的研究現狀

液壓傳動系統主要由發動機、液壓泵、液壓蓄能器、馬達等組成。根據動力系統連接方式的不同，主要分為串聯型、并聯型、混聯型。

串聯式液壓混合動力傳動系統如圖3所示。高壓蓄能器可以通過具有雙向可逆性的液壓泵/馬達為驅動輪提供動力，只有當高壓蓄能器的值低于某一設定值時，發動機才工作，驅動單向液壓泵為高壓蓄能器提供恒壓油。低壓蓄能器可回收存儲制動和減速動能，存儲的液壓能可提高汽車加速和爬坡能力。由于發動機的運行不受外在瞬時工況的影響，使得發動機可以在高效區工作，但是能量轉換環節較多，傳動效率不高[3]。

圖3 串聯型

并聯式結構如圖4所示。該系統是在傳統機械結構的基礎上增加了液壓系統，所以保留了傳動效率較高的特點。并聯式中發動機作為主要動力源，蓄能器作為輔助動力源，它們可以獨立為驅動輪提供動力，在低速時，由液壓系統提供動力，在高速穩定運行時，由發動機提供動力，加速和爬坡時，馬達和發動機經過轉矩耦合器同時為驅動輪提供動力。發動機與驅動輪直接聯系，導致發動機須對瞬態工況進行操作，降低了燃油經濟性，而且并聯式不具備液壓傳動無極變速的特點。

圖4 并聯型

混聯式混合動力液壓傳動系統又稱為功率分流式，它不僅在結構上是串并聯的綜合，實現了元件之間更多組合以及優化匹配，還能發揮他們各自的優點，使每個工況都沿著最佳特性曲線工作，因此效率比較高，功率的傳遞也比較大，且更容易實現排放和燃油消耗的目標。雖然混聯式在理論上更容易實現性能最優，但是它的系統結構比較復雜，組合間的控制要求很精密，可靠性難以保證，實現起來比較困難[4]。

3 高速飛輪傳動的研究現狀

高速飛輪傳動的結構如圖5所示。該傳動屬于慣性儲能范疇，主要由發動機、飛輪、離合器、增速齒輪、無極變速器（CVT）等組成。發動機作為主要動力源給驅動輪提供動力；飛輪是輔助動力源，可以將減速制動等過程中的動能轉換為機械能儲存，在汽車加速及爬坡時，給發動機以輔助，使發動機始終工作在高效區。飛輪作為存儲器，與蓄電池相比，具有能量密度高、耐高溫、壽命長、體積小、重量輕、能量轉換效率高等優點。但是目前飛輪傳動還存在兩大難題：一是當汽車運行方向發生變化時，飛輪會產生陀螺效應，陀螺力矩會嚴重影響到汽車操縱性能，二是當飛輪出現故障時，飛輪內存儲的機械能會短時間內爆發出來，會對汽車造成極大破壞[5]。

圖5 飛輪傳動

4 結論與展望

本文討論的三大傳動技術是目前研究最廣的，其中電動傳動運用的比較廣泛，液壓傳動和飛輪傳動也因各自的優點運用在不同的場合。盡管科技不斷的進步，混合動力汽車的研究也不斷取得新突破，但是需要改進的地方還有很多，比如車輛的整體控制，蓄能器的改進，以及成本的控制和基礎設施的完善等等。

如今面臨常規能源短缺、油價上漲、環境污染加重等一系列能源問題，在純電動時代到來之前，混合動力汽車肩負著承上啟下的作用。而且對于中國而言，我們應該牢牢把握機遇，順應時代發展，在汽車行業借此“彎道超車”，縮短與世界工業發達國家的差距，相信混合動力汽車的發展在未來一段時間內有很大的商業前景。

[1]李曉英,于秀敏,李君,吳志新.串聯混合動力汽車控制策略[J].吉林大學學報,2005,35（2）：122-126.

2]張鳳格,楊赟.并聯式混合動力汽車控制策略分析[J]. 農業裝備與車輛工程,2010,227（6）：10-12.

[3]王功.混合動力汽車液壓技術應用研究[J].液壓與氣動,2012,8：139-140.

[4]劉濤,姜繼海,孫輝,趙立軍.靜液傳動混合動力汽車的研究與進展[J].汽車工程,2009,31（7）：586-591.

[5]吳光強,陳禮璠,紀智慧.使用高速儲能飛輪的車輛混合動力傳動系統關鍵技術研究[J]. 中國公路學報,1997,10(3)：106-109.